Wäre ein „Hubkörper“ -Design für einen Waggon nützlich?

Körper heben

Die Idee eines Hubkörperdesigns besteht darin, die Karosserie eines Fahrzeugs so zu formen, dass ein Auftrieb ohne Flügel erzeugt wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass dies eine effiziente Methode zur Reduzierung des Luftwiderstands bei gleichzeitigem Auftrieb sein kann.

Dies wurde normalerweise für Flugzeuge oder Raumfahrzeuge durchgeführt:

Körper heben

Könnte ein ähnlicher Ansatz dazu beitragen, die Züge effizienter zu gestalten?

Personenzüge sehen bereits stromlinienförmig und aerodynamisch aus:

TGV

Güterzüge nicht:

Güterzug

Luftwiderstand ist nicht die einzige Form von Widerstand, die Züge überwinden müssen. Sie müssen auch den Widerstand ihrer Räder auf der Strecke überwinden. Hier würde ich denken, dass die Energieeinsparungen durch ein Hubkörperdesign kommen würden. Jeder zusätzliche Auftrieb, der durch die Konstruktion des Hubkörpers erzeugt wird, würde die Reibung zwischen den Rädern und der Schiene verringern und somit Energie sparen.

Die Räder des Zuges sind mit Flanschen versehen, sodass sie zum Lenken keine Traktion benötigen. Die Autos brauchen auch keine Traktion auf den Schienen, da die Antriebsräder nur auf den Motoren sind.

Könnte ein Hubkörper bei typischen Zuggeschwindigkeiten genug Auftrieb erzeugen, um einen spürbaren Unterschied zu machen?

aerospace-engineering rail

— Hazzey
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Sie würden immer noch Reibung brauchen, um brechen zu können. Soweit ich weiß, ist der Schub in den Lokomotiven "konzentriert", aber die Bremsfähigkeit ist auf alle Wagen im Zug verteilt.

— Nick Alexeev

Für einen Hebekörper, der substanziell genug ist, um einen spürbaren Effekt zu erzielen, würde ich denken, dass Entgleisung ein Problem sein könnte.

— HDE 226868

Beachten Sie, dass die "typischen Zuggeschwindigkeiten" je nach Zug, Gleis und Fracht sehr unterschiedlich sind. Schräge Kurven erfordern stark reduzierte Geschwindigkeiten, um beispielsweise zu verhindern, dass 20.000 Gallonen Herbizid in eine Hauptwasserstraße gelangen . Ich denke, die Quantifizierung dieser "typischen Geschwindigkeiten" ist die erste Aufgabe, da sie Ihre Frage sofort beantworten kann.

— Air

Einige moderne Personenzüge sind elektrische Mehrfacheinheiten , bei denen die Antriebsräder im gesamten Zug verteilt sind. Selbst bei Personenzügen ist ein Hubkörper oft eine schlechte Sache.

— cpast

Wie würden Sie einen Zug gestalten, um Auftrieb zu bieten? Der nach vorne gerichtete Bereich ist winzig und die für Winglets verfügbare Breite ist winzig.

— Jon of All Trades

Antworten:

Ich werde nicht sagen, dass es nicht möglich ist, einen spürbaren Unterschied zu machen. Aber ich würde sagen, dass es verdammt unwahrscheinlich ist.

Die Auftriebs- und Widerstandskräfte auf einen Körper hängen im Allgemeinen von der Geschwindigkeit des Körpers ( ), der Dichte der Flüssigkeit ( ), der Fläche des Objekts ( ) und einem dimensionslosen Koeffizienten ( oder ) ab. Der anwendbare Bereich kann in Bezug darauf, ob es sich um einen Frontalbereich oder einen Planformbereich handelt, etwas unscharf sein, aber für einen Zug ist dies im Grunde der Bereich in der Ebene senkrecht zur Fahrtrichtung (vorausgesetzt, der größte Teil der Waggons sind einfach hinter der Lokomotive her). Die Koeffizienten können aufgrund von Turbulenzen etwas mit der Geschwindigkeit variieren, liegen jedoch im Allgemeinen zwischen 0 und 2. Die funktionale Form ist: $v$ $\rho$ $A$ $C_L$ $C_D$

F_{L} = 1 / 2 ρ A C_{L} v^{2}

$F_L = 1/2\rho A C_L v^2$

Grob geschätzt, dass ein Güterzug hoch und breit ist und sich mit ( ) bewegt . Dies gibt uns einen Lift von ca. für den gesamten Zug (nicht genug, um ein gewöhnliches Auto zu heben). Diese Berechnung soll nicht extrem genau sein, aber selbst wenn sie um den Faktor zehn abweicht, wäre der Auftrieb im Vergleich zum Gesamtgewicht des Fahrzeugs minimal. $4\, m$ $16 \, m/s$ $57 \, kph$ $2500 N$

In Anbetracht dessen könnten Sie die Vorteile des Hinzufügens zusätzlicher aerodynamischer Elemente in Betracht ziehen. Hier kommt es zu einem Kompromiss zwischen der Erzeugung von Auftrieb (um die Abwärtskraft auf die Räder zu verringern) und der Erzeugung von Luftwiderstand. Während das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand hoch werden kann (in guten Fällen ~ 50), ist der Rollwiderstand der tatsächlich sehr niedrig ( ). Obwohl der Auftrieb die Reibungsverluste verringert, erhöht er die Verluste aufgrund des Luftwiderstands stärker. $C_{rr} \sim 0.00035$

Die Reduzierung des Luftwiderstands ist also gut, aber das Anheben lohnt sich wahrscheinlich nicht. Tatsächlich könnte eine Reduzierung des Luftwiderstands auf Kosten der Gewichtszunahme von Vorteil sein, da die Räder diese Last so gut tragen können.

NB Ich habe Wikipedia und die Engineering Toolbox für konsultiert . Ich konnte die Quellen für Eisenbahnräder nicht überprüfen, konnte aber über "Fundamentals of Vehicle Dynamics" von Gillespie bestätigen, dass die Werte für Straßenreifen korrekt waren. Ideen zur Überprüfung wären willkommen. $C_{rr}$

— Dan
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Gut zu sehen, die Grundfläche der Widerstandsgleichung. Eine äußerst nützliche Formel in allen Bereichen, trotz ihrer Einfachheit. Wenn Sie einen weiteren Faktor von V hinzufügen, erhalten Sie einen Gesamtleistungsverlust durch Ziehen. Hier = ~ 40 kW (2 kN x 16 m / s). Dies deutet darauf hin, dass im Gegensatz zu kleinen (für Zug-) Kraftfahrzeugen, in denen es vorherrscht, der Luftwiderstand hier ein geringfügiger Verlustfaktor für einen Zug ist. ABER wenn Sie Gewicht (mg) von den Rädern nehmen, müssen Sie pro Wagen heben. Die Interferenz zwischen zahlreichen seriell benachbarten Waggons macht dies "sehr, sehr, sehr schwierig". ....

— Russell McMahon

.... Ein Blick auf die Tragflächenladungen von Flugzeugen legt nahe, dass die Tunnel auch dann interessant aussehen würden, wenn klare Luft zur Verfügung gestellt werden könnte :-).

— Russell McMahon

Was für Sie eine interessante Offenbarung sein könnte (es war für mich, als ich es vor langer Zeit abgeleitet habe) oder offensichtlicher sein könnte als für mich. | Nehmen Sie für einen rechteckigen Querschnitt (um das Leben zu erleichtern) A und die Zuggeschwindigkeit V das Luftvolumen, das der Zug in einer Sekunde beiseite fegt (A x V). Beschleunigen Sie die Masse (A x V x Rho) in der verfügbaren Zeit von 0 auf V, um sie aus dem Weg zu räumen. Berechnen Sie die dafür erforderliche Leistung. Weit draußen (dachte ich). Kompressibilität und Luftwiderstandsbeiwert sowie alle magischen Zahlen erschweren dies, aber das grundlegende Ergebnis ist erfreulich.

— Russell McMahon

Nur eine kurze Anmerkung, auch wenn Ihre Zahl von 0,00035 korrekt ist, haben Züge Hunderte, wenn nicht Tausende von Rädern. Ich denke, das typische Auto hat 8 Räder und es können über 100 Autos pro Zug sein. Bei Fracht kann die Anzahl der Räder pro Fahrzeug sogar noch größer sein. Der Anreiz zur Reduzierung der Rollreibung zur Steigerung der Reiseeffizienz ist also weiterhin vorhanden. Aber ich muss Ihrer Analyse zustimmen: Hebekraft, entweder vom Körper oder von den Flügeln, ist für einen Zug nicht lebensfähig. Ich kann meine eigene Antwort posten, um dies zu ergänzen.

— DrZ214

Sie möchten die Abwärtskraft auf die Räder nicht verringern, da dies Ihr primäres Mittel ist, um im Notfall langsamer zu werden . Es dauert schon eine Weile, einen Zug anzuhalten, machen Sie es nicht länger. Denken Sie daran, dass die kinetische Reibung (blockierte Räder) proportional zur nach unten gerichteten Kraft auf das Rad ist und die Bremsen auf jedes Fahrzeug verteilt sind.

Die Räder des Zuges sind mit Flanschen versehen, sodass sie zum Lenken keine Traktion benötigen. Die Autos brauchen auch keine Traktion auf den Schienen, da die Antriebsräder nur auf den Motoren sind.

Sie tun Traktion benötigen, Räder sind leicht konisch mit dem Radius an der Außenseite größer ist als die Innen und sie sind beide mit der Achse. Auf diese Weise dreht das Außenrad, wenn der Zug nicht in der Mitte oder in einer Kurve ist, einen größeren effektiven Radius und dreht ihn so zurück in die Mitte des Gleises.

— Ratschenfreak
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